Усовершенствование ядерных технологий происходит благодаря разработкам более безопасных конструкций реакторов и новых типов топлива, включая малые модульные реакторы. Атомная энергетика также находит поддержку в борьбе с изменением климата.
Все больше растет поддержка исследований и разработок передовых ядерных технологий со стороны государственных и частных инвестиций. В строительстве современных крупных реакторов лидируют Китай и Россия. Небольшие гибкие и масштабируемые проекты обеспечивают более быструю установку реакторов и более низкие затраты на строительство.
Большинство крупных реакторов, работающих сегодня - это реакторы II поколения. Однако, в настоящее время в эксплуатацию вводится все больше реакторов III (и III +) поколения, а реакторы IV поколения проходят испытания. Венчурные компании, возглавляемые американскими миллиардерами Биллом Гейтсом и Уорреном Баффеттом, поддерживают небольшие реакторы. TerraPower, поддерживаемая Гейтсом, объединилась с PacifiCorp, энергетической компанией Berkshire Hathaway Баффета, и GE Hitachi Nuclear Energy в разработке технологии малых реакторов нового поколения, в которых будет использоваться новое топливо для реакторов.
«Безусловно, термоядерная энергия и SMR [ММР, малые модульные реакторы] возглавляют список наиболее многообещающих ядерных технологий», - сказал Чак Гуднайт, партнер компании Arthur D. Little, возглавляющий группу по ядерной энергетике США в рамках глобальной практики фирмы по энергетике и коммунальным услугам. Гуднайт сообщил, что «скоро появится несколько ядерных проектов IV поколения. В качестве примера можно привести проект Xe-100 компании X-energy с галечным слоем и реактор на бегущей волне компании TerraPower».
Гуднайт считает, что эти конструкции «уникальны тем, что топливо фактически перемещается внутри реактора в процессе работы, что оптимизирует его использование. Еще одна перспективная технология IV поколения - реакторы на расплавленных солях. Развитие новых технологий положительно влияет на ядерную отрасль, поэтому скоро у общества будет широкий выбор вариантов ядерной энергии, отвечающих любым требованиям».
1. Продолжается строительство на площадке АЭС «Аккую», первой атомной электростанции в Турции. Лицензия на строительство четвертого энергоблока была выдана в октябре 2021 года. Турецкие официальные лица заявили, что это крупнейшая строительная площадка для атомной энергетики в мире, на которой ежедневно работает около 12 000 человек, а также находится более 1000 единиц строительной техники и транспортных средств, в том числе 70 строительных кранов.
Некоторые новые крупные реакторы рассчитаны на генерирующую мощность более 1600 МВт; например, блок №3 АЭС «Олкилуото» в Финляндии, который вырабатывает электроэнергию с декабря 2021 года. Однако этот блок, как и многие другие современные крупные реакторы, строился слишком долго (строительство блока №3 началось в 2005 году). Его строительство сопровождалось «постоянными дискуссиями о непомерном перерасходе средств, а также дебатами о роли ядерной энергетики в связи с переходом на возобновляемые источники энергии и отказа от тепловой генерации».
SMR в центре внимания.
Большая часть перспектив ядерного сектора связана с SMR, которые обеспечивают гибкость, масштабируемость и внедряются быстрее и экономичнее, чем крупномасштабные блоки. К малым реакторам обычно относят реакторы мощностью 300 МВт и менее, а также «очень малые реакторы» мощностью 15 МВт или меньше, доступные для развертывания в отдаленных населенных пунктах, часто как часть установок распределенной генерации. Правительства ряда стран, включая США и Канаду, поддерживают внедрение SMRs.
Еще меньший реактор мощностью 4 МВт (с выработкой электроэнергии около 1,5 МВт), известный как Oklo, находится на рассмотрении Комиссии по ядерному регулированию США (NRC). Микрореактор Oklo - это стартап Кремниевой долины, который может обеспечить электроэнергией бизнес-комплексы, студенческие городки и промышленные объекты. В прошлом году Oklo объявила о заключении соглашения с Министерством энергетики США (DOE) о распределении затрат, сотрудничая с DOE и Аргоннской национальной лабораторией для развития технологий электропереработки с целью производства топлива для современных реакторов. Эта технология призвана снизить стоимость топлива для передовых реакторов и сократить количество отходов за счет превращения использованного топлива в топливо для передовых реакторов.
Ядерная энергия рассматривается как критически важный источник энергии с нулевым уровнем выбросов углерода.
Благодаря ее роли в борьбе с изменением климата растет поддержка многих стран в области исследований и разработок ядерной энергетики.
«Ядерная энергия имеет решающее значение для обеспечения устойчивого будущего», - сказал Гуднайт. «Безусловно, нет абсолютно чистых источников энергии [из-за предварительных процессов разработки, добычи ресурсов и строительства объектов], но ядерная энергетика не выделяет парниковые газы. Кроме того, ядерная энергетика может использоваться в режиме базовой нагрузки, то есть может работать круглосуточно, в отличии от возобновляемых источников энергии, таких как ветряная и солнечная».
Гуднайт продолжил: «Атомные электростанции генерируют энергию в экстремальных условиях, включая штормы и ураганы. Независимо от того, считает ли кто-то изменение климата антропоморфным или нет, мы обязаны сохранить нашу планету, то есть сделать все возможное, чтобы свести к минимуму воздействие человека на окружающую среду. Учитывая, что ядерная генерация оказывает минимальное прямое воздействие на окружающую среду, она должна занимать первое место в любой стратегии производства энергии».
«Вовремя и в рамках бюджета».
Исследователи и разработчики передовых ядерных технологий, согласны с тем, что стоимость, безопасность и возможность быстрого развертывания являются основными факторами развития сектора.
«В настоящее время разрабатывается множество отличных существующих и новых технологий, которые могут обслуживать новые ядерные объекты по всему миру», - сказал Джордж Боровас, руководитель ядерной практики в Hunton Andrews Kurth и управляющий партнер офиса фирмы в Токио, Япония. «Критический вопрос, который может изменить правила игры для конкретной реакторной технологии, - это способность компании развернуть ее вовремя и в рамках бюджета».
Боровас сказал, что аргумент «вовремя и в рамках бюджета» помогает тем, кто работает над проектами малых реакторов, но более крупные реакторы также выигрывают от модернизации».
«SMR, безусловно, предоставляют больше преимуществ с точки зрения более быстрого развертывания, более низкой стоимости, а также гибкости с точки зрения приложений», - сказал Боровас. «Однако существующие большие реакторы также имеют сравнительные преимущества, включая опыт строительства, эксплуатации и экономии за счет эффекта масштаба. В зависимости от потребностей конкретной страны или региона можно подобрать любой вариант. Это один из интересных аспектов развития новой ядерной энергетики в 2020-х годах и в будущем: найти вариант, которые удовлетворит конкретные потребности».
Министр энергетики США Дженнифер Гранхольм климатической конференции COP26 в Шотландии заявила, что «Администрация Байдена с оптимизмом смотрит на перспективы новых ядерных реакторов. Мы вложили много денег в исследования и разработки современных ядерных реакторов».
Гранхольм сказала, что «будущее чистой энергии для США должно включать ядерную энергетику». «Половина чистой энергии Соединенных Штатов сейчас - когда я говорю «чистая», я говорю о нулевых выбросах углерода - это ядерный флот», - сказала она. «Если посмотреть на общую мощность, то это около 20%. Во всем мире 29% чистой энергии приходится на атомную энергию».
2. Интегральный реактор с расплавом солей или IMSR 400, разрабатываемый компанией Terrestrial Energy, показан на этом изображении конфигурации, предложенной для Дарлингтон (Канада).
Гранхольм считает, что риски, связанные с ядерной энергетикой, решаются с помощью новых проектов. «Эти современные ядерные реакторы и существующий парк безопасны», - сказала она. «У нас есть золотой стандарт регулирования в Соединенных Штатах. Ядерная энергия - управляемая, чистая базовая мощность».
Саид Боровас отметил: «Безопасность всегда была краеугольным камнем атомной отрасли. Ядерная энергия - самый безопасный вид энергии, с одним из самых низких показателей смертности по сравнению с другими источниками энергии. Авария на АЭС «Фукусима Дайчи» [в Японии в марте 2011 года] действительно преподала важный урок глобальной ядерной отрасли».
Новые реакторы.
Франция является примером страны, в которой атомная энергетика постоянно развивается: 70% электроэнергии генерируют атомные станции, на которых работает более 50 реакторов. Президент Франции Эммануэль Макрон в ноябре заявил, что поддерживает строительство новых реакторов, которые необходимы для поддержания «разумных» цен на электроэнергию. Макрон сказал: «Франция планирует возобновить строительство ядерных реакторов и продолжить разработку возобновляемых источников энергии. Это необходимо для того чтобы гарантировать энергетическую независимость Франции, гарантировать электроснабжение страны и достичь целей углеродной нейтральности к 2050 году».
Французский сетевой оператор RTE в недавнем отчете заявил, что ядерные реакторы следующего поколения помогут отказаться от ископаемого топлива, отметив: «Строительство новых ядерных реакторов экономически оправдано». В отчете RTE рассматриваются «способы для удовлетворения роста потребления электроэнергии в стране, а также примеры планов для других стран, ищущих стратегии декарбонизации, которые могут включать производство тепловой энергии».
Всемирная ядерная ассоциация (WNA) прошлой осенью заявила, что около 30 стран рассматривают, планируют или начинают новые программы развития ядерной энергетики, а еще около 20 «проявили интерес». К ним относятся страны Европы, Ближнего Востока и Африки, а также Центральной и Южной Америки и большая часть Азии.
Среди этих стран - Объединенные Арабские Эмираты (ОАЭ), где на площадке АЭС «Барака» расположены четыре усовершенствованных реактора с водой под давлением корейской разработки, или APR-1400, третьего поколения. Первый энергоблок вступил в коммерческую эксплуатацию в прошлом году; второй энергоблок был подключен к сети в конце 2021 года. Строительство третьего энергоблока было завершено в ноябре; ввод в эксплуатацию этого реактора запланирован на 2023 год. После полного введения в эксплуатацию АЭС «Барака» будет обеспечивать четверть электроэнергии в ОАЭ.
Продолжается строительство первой в Турции атомной электростанции (рис. 1), объекта «Аккую» с четырьмя водно-водными энергетическими реакторами ВВЭР-1200 российского производства по технологии III + поколения. Первый блок будет введен в промышленную эксплуатацию в 2023 году.
Бангладеш строит свои первые два реактора, а также реакторы с ВВЭР-1200. Ожидается, что «Rooppur-1» будет подключен к сети в конце 2023 года, а «Rooppur-2» - не позднее 2025 года.
Международный форум Gen IV, созданный в 2001 году и включающий 13 стран, а также группу, представляющую Европейский Союз, собрал около 100 экспертов для оценки 130 концепций реакторов за несколько лет, отобрал шесть реакторных технологий для дальнейших исследований и разработок. Эти шесть технологий включают газоохлаждаемый быстрый реактор (GFR), быстрый реактор со свинцовым охлаждением (LFR), реактор на расплавленной соли (MSR), сверхкритический реактор с водяным охлаждением (SCWR), быстрый реактор с натриевым охлаждением (SFR) и реактор с очень высокой температурой (VHTR).
Текущие технологические проекты IV поколения включают проект IMSR 400 компании Terrestrial Energy (рис. 2), интегральный реактор на расплавленной соли, разрабатываемый в Канаде. Китай запустил SMR, HTR-PM, первый в мире высокотемпературный газоохлаждаемый реактор с галечным слоем IV поколения, имеющий тепловую мощность 250 МВт. Другие проекты включают вышеупомянутые конструкции от TerraPower и X-energy.
Существует еще проект SMR NuScale Power, который первым получил одобрение Комиссии по ядерному регулированию США. Силовой модуль NuScale - это усовершенствованный легководный SMR, способный вырабатывать 60 МВт электроэнергии. Каждая электростанция NuScale может включать до 12 модулей, обеспечивая в общей сложности 720 МВт.
Топливо будущего.
Усовершенствование в области ядерного топлива представляет собой большую часть разработок сектора. Фактически, топливо является способом более быстрого развития ядерной энергетики относительно длительного строительства новых реакторов.
В настоящее время разрабатывается несколько новых видов топлива для использования, как в существующих реакторах, так и в реакторах новых поколений. Эти виды топлива разработаны для того, чтобы реакторы были более устойчивы к авариям, были более долговечными и могли обеспечивать больше энергии. Они также упростят процессы дозаправки, хранения и утилизации, позволяя перерабатывать ранее использованное топливо и, что немаловажно, будут менее дорогими в производстве.
Наталья Никипелова, президент Топливной компании ТВЭЛ, входящей в состав Росатома, заявила: «Облучение топлива в коммерческом реакторе - важный шаг для дальнейшей коммерциализации этого продукта», имея в виду первые в своем роде топливные пучки российского производства ТВЭЛ с экспериментальными топливными стержнями Advanced Technology Fuel (ATF) (рис. 3). Первые стержни ATF были загружены в активную зону реактора ВВЭР-1000 2-го энергоблока Ростовской АЭС на юго-западе России в сентябре в рамках планового технического обслуживания и дозаправки энергоблока. Никипелова отметила: «Развитие ATF - это важнейший мировой тренд в атомной энергетике, который направлен на то, чтобы вывести безопасность атомных станций на новый уровень, практически исключив вероятность аварий и, как следствие, негативное воздействие на окружающую среду».
3. Испытательные стержни, загруженные на Ростовском энергоблоке № 2, содержат топливо из диоксида урана. Половина стержней покрыта циркониевым сплавом с хромовым покрытием, а другая половина - хромоникелевым сплавом 42ХНМ.
Разработчики усовершенствованных реакторов Moltex и Elysium недавно заявили, что их технология изменит подход отрасли к утилизации и переработке отработанного ядерного топлива (ОЯТ) в рамках разработки реакторов IV поколения. Компании заявили, что их конструкции реакторов, в том числе реакторы на расплавах солей, могут работать на ОЯТ, что решает проблему ядерных отходов. Использование расплавленных солей в активной зоне реактора вместо воды позволяет повысить эффективность и безопасность, а также поддерживает отслеживание нагрузки, позволяя реактору работать при более высоких температурах.
Канадская компания Moltex разрабатывает реактор SSR-W (Stable Salt Reactor – Wasteburner), быстрый реактор, в котором в качестве топлива используются переработанные ядерные отходы. Генеральный директор Moltex Рори О'Салливан сказал агентству Reuters: «Как правило, другие попытки утилизации не были экономичными, поэтому они и не были продолжены, но, похоже, это жизнеспособно и имеет большой экономический смысл».
Кроме того, постоянное внимание уделяется термоядерной энергии, которую долгое время называли «святым Граалем» производства электроэнергии. «Я привык слышать, что до термоядерного синтеза еще как минимум 50 лет», - сказал Гуднайт. «Но времена изменились, поэтому я думаю, что сейчас мы приближаемся к 10-20-летнему горизонту коммерческого производства электроэнергии из термоядерной энергии… Сочетание инвестиций, внимания и последних технических разработок дает надежду, что термоядерный синтез произойдет намного раньше».